Влияние частичной геометрии на дизайн и производство инструментов для сжатия

Введение: Критическая роль частичной геометрии в формовании сжатия

Компрессионное формование представляет собой высокотемпературный процесс, используемый для образования термореактивных полимеров, резиновых соединений и волокнистых армированных композитов в прочные, нетто-формные части. В этом методе предварительно взвешенный заряд материала помещается в открытую, нагретую полость формы. Плесень закрывается, прикладывая давление, которое заставляет материал течь и заполнять полость, в то время как тепло инициирует перекрестную реакцию, которая затвердевает деталь. Готовый компонент затем выбрасывается.

Геометрия конечной части — ее общая форма, особенности, размеры, текстура поверхности и внутренние детали — является единственным наиболее влиятельным фактором при проектировании пресс-формы. Каждая кривая, толщина стенки, подрезка и ребро определяют, как должна быть построена форма, как материал течет во время заполнения, как тепло передается во время отверждения и как часть может быть удалена. Глубокое понимание воздействия геометрии позволяет инженерам-инструментам избегать дорогостоящей переработки, сокращать время цикла и производить последовательные, высококачественные детали.

В этой статье рассматривается непосредственное влияние геометрии деталей на дизайн и производство инструментов для прессования. Мы рассмотрим, какие геометрические особенности создают наибольшие проблемы, как дизайнеры инструментов адаптируют свой подход и какие методы производства необходимы для производства форм, которые могут обрабатывать сложные формы.

Основы компрессионного формования и тулинга

Перед анализом геометрии полезно вспомнить основную архитектуру пресс-формы. Инструмент состоит из двух основных секций: верхней силы (мужской) и нижней полости (женской). Заряд помещается в полости, а по мере закрытия пресса сила поступает в полость, сжимая материал и заставляя его в каждую углубление. Тепло, передаваемое через стенки пресс-формы, отверждает деталь. Ключевыми элементами конструкции являются:

Геометрия деталей накладывает ограничения на все эти элементы. Например, глубокая часть с высокими вертикальными стенками требует тщательной конструкции угла наклона, чтобы предотвратить прилипание. Части с тонкими длинными ребрами могут потребоваться охлаждающие каналы, расположенные очень близко к поверхности полости, чтобы быстро извлекать тепло.

Как часть геометрии влияет на решения по дизайну инструментов

Проект Углов и Выброс

Каждая вертикальная стенка в детали с компрессионной формой должна включать угол наклона - обычно от 1 до 5° сбоку - чтобы позволить отвержденной детали высвободиться из формы без повреждений. Требуемый угол наклона зависит от усадки материала, отделки поверхности и глубины детали. Глубокие чертежи (например, боковая стенка контейнера глубиной 100 мм) нуждаются в большем натяге, чем мелкие боссы. Если конструкция детали указывает нулевой набросок (как это может произойти в эстетических компонентах), конструктор инструмента должен включать механические удары выброса, подъемники или выбросы с помощью воздуха, которые добавляют сложность и стоимость.

Подрезы и необходимость в подвижных основных вставках

Подрезание - это любая функция, которая простирается вбок или крючки под нормальным направлением открывания формы. Нити, щелчки, поперечные отверстия и внутренние канавки - общие подрезания. В формовке сжатия подрезы не могут быть сформированы простой двухсекционной формой. Вместо этого инструмент должен включать боковые действия (гидравлические или управляемые кулаками слайды), разборные ядра или механизмы отвинчивания. Эти движущиеся компоненты увеличивают стоимость инструмента, требуют дополнительного обслуживания и удлиняют время цикла, потому что они должны быть приведены в действие до выброса. Дизайнеры деталей, которые могут ориентировать подрезы в линии ничьей - или заменить их вторичными операциями - экономят значительные затраты на оснастку.

Униформа толщины стен и материальный поток

Компрессионное формование опирается на заряд, вдавленный в полость. Единообразная толщина стенки способствует равномерному потоку и последовательному отверждению. Когда деталь имеет резкие переходы от толстых к тонким секциям (например, толстый фланж, соединенный с тонкой паутиной), материал может охлаждаться и отверждаться сначала в тонкой секции, предотвращая полное упаковывание толстой секции. Это приводит к пометкам раковины, пустотам или неполному заполнению. Разработчики инструментов реагируют добавлением лидеров потока (незначительное увеличение толщины вдоль пути потока) или стратегическим размещением заряда. В крайних случаях геометрия детали должна быть постепенно изменена, чтобы постепенно сужать толщину. Общее правило заключается в сохранении коэффициентов толщины между смежными секциями ниже 2:1.

Острые углы и Радий

Резкие внутренние углы в части создают концентрации напряжений и препятствуют потоку материала во время формования. В инструменте острые углы трудно обрабатывать и полировать, и они становятся местами для растрескивания напряжений в стали пресс-формы при повторяющихся тепловых циклах. Каждый внутренний угол должен иметь радиус не менее 0,5 мм и предпочтительно 1-2 мм. Внешние углы могут быть более острыми, но все же выигрывают от небольшого радиуса, чтобы уменьшить износ края полости. Выбор стали инструмента и термообработка также зависят от резкости геометрии - более твердые стали необходимы для сложных, тонко детализированных полостей.

Поверхностная отделка и текстура

Глянцевая, высокополированная деталь требует зеркально полированной поверхности плесени, что труднее достичь в глубоких полости или вокруг сложных особенностей. Текстурированные поверхности (например, зернистая кожа) требуют химического травления или EDM-текстирования полости. Сложная геометрия делает текстурирование более трудным, потому что транш должен достигать всех углублений равномерно. Дизайнеры инструментов должны проверить, что выбранная текстура может быть применена к полости без повреждения деликатных особенностей.

Ключевые геометрические особенности и их последствия

Ребра и гусеницы

Ребра тонкие, приподнятые стены используются для добавления жесткости без увеличения общей толщины стенки. При компрессионном формовании ребра создают глубокие, узкие каналы, которые трудно заполнить. Полость инструмента должна иметь соответствующие прорези; эти прорези действуют как теплоотводы и могут вызвать преждевременное охлаждение материала. Чтобы противостоять этому, конструкторы инструментов часто размещают дополнительные нагревательные элементы вблизи полостей ребер или повышают местную температуру плесени. Толщина ребра должна составлять 50-60% от номинальной толщины стенки, чтобы избежать следов раковины на противоположной поверхности. Отношение высоты к толщине ребра не должно превышать 5:1; в противном случае может произойти улавливание воздуха или неполное заполнение.

Боссы

Боссы — это поднятые подушки, используемые для крепежа, выравнивания или сборки. Они по существу являются толстыми элементами, которые могут производить усадку и искажение. При формовке компрессии босс должен быть спроектирован с большим радиусом у основания, чтобы избежать вытягивания поверхности детали. Если босс глубже, чем его диаметр, в инструменте может потребоваться штифт ядра, который должен быть убран перед выбросом. Несколько боссов близко друг к другу могут создать большую массу, которая вызывает более длительное время излечения.

Внутренние нити

Проточные вставки или формованные нити распространены в ручках, колпачках и фитингах с компрессионной формой. Формованные нити могут быть изготовлены с использованием невинтовых ядер - вращающихся вставок, которые выходят из детали после отверждения. Нити шаг, длина и усадка материала определяют, сколько вращений необходимо. Грубые нити легче формовать, чем тонкие нити, потому что они легче высвобождаются. Тулинг для внутренних нитей дорог и требует тщательного выравнивания механизма отвинчивания с гидравлической системой пресса.

Через отверстия и боковые отверстия

Через отверстия могут образовываться штифты-сердечники, которые охватывают полость и силу, но это создает точки щипцов, которые быстро изнашиваются. Боковые отверстия (перпендикулярно направлению открытия) требуют ядер бокового действия. Конструктор должен решить, следует ли формовать отверстие или сверлить его в качестве вторичной операции. Формование добавляет сложность инструмента; сверление добавляет труд и обработку материала. Решение зависит от объема, терпимости и стоимости.

Глубокие рисунки и высокие части

Части, которые высоки относительно их ширины (например, глубоко натянутая чашка), требуют длинного хода инструмента и тщательного руководства, чтобы избежать силы, ударяющей о стенки полости. Плесень должна включать надежные направляющие штифты и втулки для поддержания выравнивания. Глубокие части также захватывают воздух в нижней части полости; вентиляционные отверстия должны быть размещены в самой глубокой точке. Система выброса должна выталкивать деталь равномерно - часто с использованием нескольких штифтов выталкивания или пластины стриптизерши - для предотвращения искажений. Сложность глубоких ничьих увеличивает углеродный след, но передовые компьютерные моделирования помогают оптимизировать дизайн инструмента заранее.

Проблемы производства инструментов для сложных геометрий

CNC Обработка полостей и сил

Сложная геометрия деталей требует многоосевого фрезерования с ЧПУ, иногда пятиосевого, для получения полостей и силовых форм без чрезмерной отделки рук. Глубокие полости требуют резаков с длинными рамками, которые могут болтаться или ломаться. Тонкие секции стенок в самом инструменте (например, между близко расположенными полостями в семейной плесени) могут изгибаться во время обработки. Производители инструментов часто используют полости машин в двух половинках (конструкция с разрезом) для доступа к сложным областям. Для чрезвычайно сложных форм обработка может быть дополнена обработкой электрическим разрядом (EDM).

Электрообработка разряда (EDM) для мельчайших деталей

EDM использует электрические искры для эрозии металла из заготовки, что позволяет создавать острые углы, глубокие слоты и тонкие текстуры, которые невозможны с обычными резцами. Sinker EDM используется для полостей со сложными трехмерными формами; провод EDM разрезает через отверстия или расколы. Однако EDM медленный и требует предварительно спроектированного электрода (медь или графит) для каждой уникальной особенности. Стоимость электродов увеличивается с геометрической сложностью, и каждый электрод износится и должен быть заменен. Тем не менее, для пресс-форм сжатия, требующих высокой точности в ребрах или плотных внутренних деталях, EDM часто является единственным возможным методом.

Аддитивное производство для конформного охлаждения

Части со сложными внутренними особенностями или переменной толщиной стенки часто страдают от неравномерного охлаждения. Традиционные сверленные охлаждающие каналы не могут следовать за изогнутыми поверхностями деталей. Аддитивное производство (слияние лазерного порошка) теперь позволяет изготавливать вставки формы с конформными охлаждающими каналами, которые соответствуют геометрии детали. Эти каналы улучшают извлечение тепла, сокращают время цикла и минимизируют деформацию. Однако аддитивное производство дорого и ограничено меньшими вставками; вся форма еще не может быть напечатана экономически эффективно. Дизайнеры инструментов должны решить, какие геометрические особенности больше всего выигрывают от конформного охлаждения - обычно глубокие ребра, ядра и толстые секции.

Толерантность и подвиги

Геометрия деталей диктует требуемые допуски формы. Тяжёлые допуски (±0,05 мм или менее) требуют точного шлифования или отделки EDM. Скользящие приспособления (боковые действия, сердечники) требуют клиренса 0,01-0,03 мм, чтобы избежать вспышки, но позволяют движение. Сложные геометрии с несколькими движущимися частями увеличивают риск укладки толерантности. Каждая дополнительная поверхность добавляет потенциальную точку износа. Статистический анализ толерантности используется для обеспечения правильного функционирования всех функций на производственных циклах.

Моделирование и анализ для геометрии-управляемого дизайна

Современный дизайн пресс-формы для сжатия в значительной степени зависит от компьютерного моделирования для решения задач, вызванных геометрией, прежде чем металл будет разрезан. Анализ заполнения пресс-формы (с использованием программного обеспечения, такого как Moldex3D, Autodesk Moldflow или AcademicCFD) предсказывает, как заряд будет проходить через полость, идентифицируя линии сварки, воздушные ловушки и области с высоким сдвигом. Для сложных геометрий моделирование может показать:

Не менее важен и структурный анализ конечных элементов (FEA) самого инструмента. Тонкие стенки полости могут отклоняться под давлением, вызывая вспышку деталей. Районы высокого напряжения вблизи острых углов в плесени могут трескаться после тысяч циклов. Анализируя состояние напряжения инструмента, инженеры могут добавлять сталь там, где это необходимо, или регулировать радиус детали, чтобы уменьшить концентрацию напряжения.

Тепловое моделирование помогает в проектировании схем отопления и охлаждения. Для детали с различной толщиной моделирование показывает температурные градиенты. Затем конструктор инструмента может регулировать размещение нагревателя или добавлять охлаждающие линии для выравнивания температуры. Это уменьшает вариабельность времени отверждения и искажение деталей.

Мы рекомендуем прочитать руководство по разработке инструментов для формования сжатия SME для более глубокого погружения в лучшие практики моделирования.

Стратегии оптимизации затрат и эффективности

Проектирование для производных (DFM) на уровне детали

Единственный наиболее эффективный способ снизить стоимость инструмента и улучшить качество деталей - это упростить геометрию деталей на ранней стадии проектирования. Дизайнеры деталей должны проконсультироваться с инженерами-инструменталистами для обзора критических функций: минимизация подрезов, добавление однородного чертежа, избегание экстремальных вариаций толщины и определение щедрых радиусов. Даже небольшие изменения - например, увеличение радиуса ребра с 0,5 мм до 1,5 мм - могут устранить необходимость вторичной операции EDM, экономя тысячи долларов затрат на электроды.

Стандартизация функций в семействе частей

Если несколько частей имеют общую геометрию (один и тот же шаблон босса, один и тот же контур ребра), их часто можно формовать в одной многополосной или семейной форме со сменными вставками. Это снижает стоимость инструмента на часть и использует общие проектные работы. Стандартизация диаметров ядра, нитей и глубин полости также упрощает инвентаризацию запасных частей и техническое обслуживание.

Сокращение времени цикла за счет геометрии-осознанного охлаждения

Время охлаждения составляет 50-70% от общего цикла формования компрессии. При адаптации размещения канала охлаждения к геометрии детали время цикла может быть сокращено на 20-40%. Толстые секции нуждаются в интенсивном охлаждении; тонкие секции быстро охлаждаются и могут переохлаждаться (что приводит к прилипанию). Добавление конформного охлаждения к толстым ребрам или боссам оплачивает себя через более низкие времена цикла. Дизайнеры инструментов также изменяют температуру плесени в разных областях полости с использованием независимых зон нагрева.

Выбор материалов плесени на основе геометрических требований

Выбор стали для полости и силы зависит от геометрической сложности. Простые формы с большими радиусами могут использовать предварительно закаленную сталь P20 (30-35 HRC), которая проста в машинном исполнении. Сложные геометрии с тонкими стенками, острыми углами или раздвижными сердечниками требуют более твердых сталей, таких как H13 (45-50 HRC) или даже инструментальная сталь A2. Чем жестче сталь, тем сложнее она для машины, но чем дольше срок службы формы. Для производства больших объемов геометрически сложных деталей оправданы инвестиции в премиальную сталь.

Тщательное обсуждение выбора материала доступно в этой статье AZoM по инструментальным сталям для прессования .

Пример: Перепроектирование сложной пресс-формы

Для иллюстрации этих принципов рассмотрим гипотетическую часть: усиленный фенольный корпус с несколькими глубокими ребрами, резьбовая вставка и толщина стенки 0,5 мм в тонком участке при толщине основания 3 мм. Первоначальная конструкция требовала пятисекундной формы: основной полости, двух боковых сердечников для подрезанных отверстий и откручивающего сердечника для резьбы. Стоимость инструмента превысила бюджет, а детали первой части показали неполное заполнение тонких поперечных решеток.

Изменив геометрию детали - увеличение тонкой стены до 0,8 мм, добавление 2° сквозняка ко всем ребрам и изменение внутренней резьбы на грубую резьбу (0,75 мм шаг) - инструмент можно было упростить до трехсекционной формы с одним гидравлическим боковым действием. Моделирование показало адекватное наполнение зарядом, помещенным непосредственно под толстое основание. Каналы охлаждения были конформно напечатаны в толстой секции вставки. Время цикла упало с 180 с до 130 с, а стоимость изготовления инструмента была снижена на 30%. Это демонстрирует, что раннее сотрудничество между разработчиками деталей и инструментов дает измеримые улучшения.

Заключение

Геометрия деталей является основным драйвером проектирования и сложности изготовления инструмента для сжатия формования. Углы наклона, подрезы, изменения толщины стен, радиусы, отделка поверхности и такие функции, как ребра, боссы и нити, диктуют архитектуру формы, требуемые методы обработки и стоимость производства. Признавая эти влияния на ранней стадии, инженеры могут проектировать детали, которые легче использовать, инженеры-производители могут выбирать соответствующие методы обработки и моделирования, а производители инструментов могут создавать формы, которые производят последовательные, высококачественные детали с минимальным временем цикла.

Тенденция к более сложным деталям геометрии в автомобильной, аэрокосмической и потребительских товарах будет продолжаться. Успех в формовке компрессии зависит от интеграции геометрического анализа с передовым моделированием, аддитивного производства для охлаждения и строгого проектирования процесса технологичности. Дизайнеры инструментов, которые овладевают отношениями между формой и инструментом, будут последовательно обеспечивать эффективное, прибыльное производство.

Для дальнейшего чтения см. Протолабс сравнение компрессионного формования против литья под давлением и CompositesWorld статья о компрессионном формовании композитов .